溶胶凝胶法.ppt
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3-2 溶胶-凝胶法 PPT
胶凝过程分为缩合和凝结两个阶段
缩合：溶质分子或离子聚合为大分子聚合物－胶粒的过 程（1～100毫微米） 凝结：在一定条件下，胶粒聚集合并成湿（水）凝胶的 过程
13
影响胶凝速度的因素
浓度：浓度越大，胶凝越快
例如：含1.0%SiO2的硅溶胶胶凝最快时间为 30min 含2.5% SiO2的硅溶胶胶凝最快时间仅为 1min
19
1.煅烧的作用
（1）除去化合结合水和挥发性物质（CO2、NO2、NH3等） （2）形成所需的化学成份、化学形态— 活性相 （3） 可获得一定的晶型、微晶粒度、孔径和比表面等 （4）提高催化剂的机械强度 （5）得到一定的孔隙结构
前驱物的水解和缩 聚
络合反应导致较大 混合配合体的 络合 物的形成
密集的粒子形成凝胶网 络；凝胶 中固相含量较 高；凝胶透明，强度较 弱
由前驱物得到的无机聚 合物构成凝胶网络；刚 形成的凝胶体积与前 驱 物溶液体积完全一样； 凝胶形成的参数--胶凝时 间随着过程中其它参数 的变化 而变化；凝胶透 明
Biblioteka Baidu ⑵常用沉淀剂
碱类：NH4OH、KOH、NaOH 碳酸盐类： (NH4)2CO3、Na2CO3、CO2、K2CO3 碳酸氢盐类：NaHCO3 有机酸：乙酸、草酸 铵盐： (NH4)2CO3、NH4HCO3、 (NH4)2SO4、 (NH4)2C2O4
缩合：溶质分子或离子聚合为大分子聚合物－胶粒的过 程（1～100毫微米） 凝结：在一定条件下，胶粒聚集合并成湿（水）凝胶的 过程
13
影响胶凝速度的因素
浓度：浓度越大，胶凝越快
例如：含1.0%SiO2的硅溶胶胶凝最快时间为 30min 含2.5% SiO2的硅溶胶胶凝最快时间仅为 1min
19
1.煅烧的作用
（1）除去化合结合水和挥发性物质（CO2、NO2、NH3等） （2）形成所需的化学成份、化学形态— 活性相 （3） 可获得一定的晶型、微晶粒度、孔径和比表面等 （4）提高催化剂的机械强度 （5）得到一定的孔隙结构
前驱物的水解和缩 聚
络合反应导致较大 混合配合体的 络合 物的形成
密集的粒子形成凝胶网 络；凝胶 中固相含量较 高；凝胶透明，强度较 弱
由前驱物得到的无机聚 合物构成凝胶网络；刚 形成的凝胶体积与前 驱 物溶液体积完全一样； 凝胶形成的参数--胶凝时 间随着过程中其它参数 的变化 而变化；凝胶透 明
Biblioteka Baidu ⑵常用沉淀剂
碱类：NH4OH、KOH、NaOH 碳酸盐类： (NH4)2CO3、Na2CO3、CO2、K2CO3 碳酸氢盐类：NaHCO3 有机酸：乙酸、草酸 铵盐： (NH4)2CO3、NH4HCO3、 (NH4)2SO4、 (NH4)2C2O4
《溶胶凝胶法》PPT课件
5
3. 凝胶（Gel）： 具有固体特征的胶体体系；被分散的物质形成连
续的网状骨架；骨架空隙中充有液体或气体； 凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间
按分散相介质不同可分为水凝 胶、醇凝胶和气凝胶
6
4. 溶胶与凝胶的比较
Sol：由孤立的细小粒子 或大分子组成，分散在 溶液中的胶体体系。
Gel：是一种由细小粒子
分散介质
气体 气体 液体 液体 液体 固体 固体
示例
雾 烟 泡沫 牛乳 胶态石墨 矿石中的液态夹杂物 矿石中的气态夹杂物
4
（3）溶胶的稳定性 亲液溶胶
分散相和分散介质之间有很好的亲和能力； 没有明显的相界面； 热力学稳定体系 憎液溶胶 分散相与分散介质之间亲和力较弱； 有明显的相界面； 热力学不稳定体系
光源
凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥
丁达尔效应示意图
2
2. 溶胶(sol) 具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了 1~100nm粒子(基本单元)。
溶胶的特点： （1）溶胶不是物质而是一种“状态”
3
（2）溶胶与溶液的相似之处 溶质+溶剂→溶液 分散相+分散介质→溶胶(分散系)
分散相
液体 固体 气体 液体 固体 液体 气体
22
水-金属无机盐体系的缩聚反应
胶粒脱水； 脱水凝胶化： 扩散层中电解质浓度增加；
3. 凝胶（Gel）： 具有固体特征的胶体体系；被分散的物质形成连
续的网状骨架；骨架空隙中充有液体或气体； 凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间
按分散相介质不同可分为水凝 胶、醇凝胶和气凝胶
6
4. 溶胶与凝胶的比较
Sol：由孤立的细小粒子 或大分子组成，分散在 溶液中的胶体体系。
Gel：是一种由细小粒子
分散介质
气体 气体 液体 液体 液体 固体 固体
示例
雾 烟 泡沫 牛乳 胶态石墨 矿石中的液态夹杂物 矿石中的气态夹杂物
4
（3）溶胶的稳定性 亲液溶胶
分散相和分散介质之间有很好的亲和能力； 没有明显的相界面； 热力学稳定体系 憎液溶胶 分散相与分散介质之间亲和力较弱； 有明显的相界面； 热力学不稳定体系
光源
凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥
丁达尔效应示意图
2
2. 溶胶(sol) 具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了 1~100nm粒子(基本单元)。
溶胶的特点： （1）溶胶不是物质而是一种“状态”
3
（2）溶胶与溶液的相似之处 溶质+溶剂→溶液 分散相+分散介质→溶胶(分散系)
分散相
液体 固体 气体 液体 固体 液体 气体
22
水-金属无机盐体系的缩聚反应
胶粒脱水； 脱水凝胶化： 扩散层中电解质浓度增加；
溶胶凝胶法制备催化剂方法.完美版PPT
72 [4] Fadlalla H M H, Tang C C, Elssfah EM, et al . Synthesis and characterization of single crystalline YAG: Eunano2sized powder by Sol-gel method [ J ]. Mater Chem Phys, 2021, 109 ( 2 - 3) : 436-439 [5] 王晓杰,宋 宇,任菲菲,等. 水热法和溶胶 - 凝胶法制备Mn0 . 8 Zn0 . 2
➢ 20世纪 90年代，兴起的纳米技术更是把溶胶 -凝胶法的应 用推向一个新的高潮 ,同时该技术开始形成一门称为“ 溶 胶 -凝胶科学 ” 的独立学科。
➢ 21世纪以来 ，该学科的发展更为迅速 ,其研究也更为活
跃 ,溶胶 -凝胶技术在整个无机非金属材料领域 ,显示了巨 大的优越性和极为广泛的应用前景。
应用实例
—HS-AlF3催化剂的制备
➢ 主要试剂： 异丙醇铝 无水异丙醇 无水氢氟酸
➢ 实验步骤 (1)称取适量纯净异丙醇铝充分溶于无水异丙醇中。 (2)量取稍高于化学计量比的无水氢氟酸溶于无水异
丙醇中。
(3)在搅拌情况下，将氢氟酸溶液滴加到异丙醇铝溶 液中，充分反应得到溶胶或凝胶。
(4) 对所得产物进行再氟化或水解反应，得到高比表 面氟化铝催化剂材料。
流程图
➢ 20世纪 90年代，兴起的纳米技术更是把溶胶 -凝胶法的应 用推向一个新的高潮 ,同时该技术开始形成一门称为“ 溶 胶 -凝胶科学 ” 的独立学科。
➢ 21世纪以来 ，该学科的发展更为迅速 ,其研究也更为活
跃 ,溶胶 -凝胶技术在整个无机非金属材料领域 ,显示了巨 大的优越性和极为广泛的应用前景。
应用实例
—HS-AlF3催化剂的制备
➢ 主要试剂： 异丙醇铝 无水异丙醇 无水氢氟酸
➢ 实验步骤 (1)称取适量纯净异丙醇铝充分溶于无水异丙醇中。 (2)量取稍高于化学计量比的无水氢氟酸溶于无水异
丙醇中。
(3)在搅拌情况下，将氢氟酸溶液滴加到异丙醇铝溶 液中，充分反应得到溶胶或凝胶。
(4) 对所得产物进行再氟化或水解反应，得到高比表 面氟化铝催化剂材料。
流程图
溶胶凝胶法制备SiO2凝胶-材料合成化学课件PPT
第六页，共43页。
SiO2 中的常见(chánɡ jiàn)缺陷及其光 跃迁[5]
迄今对其光跃迁性质研究较多的缺陷可分为缺氧型 和过氧型。主要种类有：
(1) 氧空位(kōnɡ wèi)(VO)：结构式可表示为≡Si－ Si≡ ( ≡ 表示三个Si－O 键，下同)。它由 Si－O－Si 链失去一个氧原子而形成。它在7.6eV 和 5.0eV 处有吸收，分别对应S0→S1 和S0→T1 跃迁。
第七页，共43页。
(2) 二配位硅：结构式可表示为=Si: (: 表示两个电 子)。其S0→S1跃迁能量在5.8eV附近。
(3) 双氧空位(VO,O)：结构式可表示为≡Si－Si－ Si≡。它由Si－O－Si－O－Si 链失去两个氧原子而 形成。其S0→S1 跃迁能量在6.3eV 附近。
(4) E’中心：结构式可表示为≡Si· +Si≡。它可视 为由VO 俘获一个空穴而形成，因此在一个Si 原子 上带局域负电荷，而另一个Si 原子则带局域正电荷。 其结构类型比较(bǐjiào)多，在吸收发生在5.3~6.3eV 之间。
第二十五页，共43页。
多孔SiO2 复合材料(fùhécái liào)的合成
由于SiO2 凝胶的多孔、高比表面以及介电特性， 它作为基体已被广泛用于许多复合材料(fù hé cái liào)的合成，或作为模板合成各种纳米结构。
第二十六页，共43页。
SiO2 中的常见(chánɡ jiàn)缺陷及其光 跃迁[5]
迄今对其光跃迁性质研究较多的缺陷可分为缺氧型 和过氧型。主要种类有：
(1) 氧空位(kōnɡ wèi)(VO)：结构式可表示为≡Si－ Si≡ ( ≡ 表示三个Si－O 键，下同)。它由 Si－O－Si 链失去一个氧原子而形成。它在7.6eV 和 5.0eV 处有吸收，分别对应S0→S1 和S0→T1 跃迁。
第七页，共43页。
(2) 二配位硅：结构式可表示为=Si: (: 表示两个电 子)。其S0→S1跃迁能量在5.8eV附近。
(3) 双氧空位(VO,O)：结构式可表示为≡Si－Si－ Si≡。它由Si－O－Si－O－Si 链失去两个氧原子而 形成。其S0→S1 跃迁能量在6.3eV 附近。
(4) E’中心：结构式可表示为≡Si· +Si≡。它可视 为由VO 俘获一个空穴而形成，因此在一个Si 原子 上带局域负电荷，而另一个Si 原子则带局域正电荷。 其结构类型比较(bǐjiào)多，在吸收发生在5.3~6.3eV 之间。
第二十五页，共43页。
多孔SiO2 复合材料(fùhécái liào)的合成
由于SiO2 凝胶的多孔、高比表面以及介电特性， 它作为基体已被广泛用于许多复合材料(fù hé cái liào)的合成，或作为模板合成各种纳米结构。
第二十六页，共43页。
溶胶凝胶法 PPT
水解反应生成的沉淀[Al(OH)3(H2O) 3]0在溶液酸度提高时，能够 溶解，变成离子，形成沉淀-胶溶反应（PrecipitationPeptization）
n [Al(OH)3(H2O) 3]0 + xHNO3 = { [Al(OH)3(H2O) 3]nHx}x+ + xNO3-
胶溶反应中胶核呈正电性，外层吸附了电量相等的负电离子。
溶胶－凝胶法的缺陷
原料成本较高 存在残留小孔洞 存在残留的碳 较长的反应时间 有机溶剂对人体有一定的危害性
溶胶－凝胶法的未来
1994年7月在美国加利福尼亚的圣地亚哥举 行的关于Sol－Gel光子学的会议上，展示了 三种很有前途的产品： 1. 西班牙的D.Levy小组演示了液晶显示器。 2. 爱尔兰的B.D.MacCraith发明的光纤传感器。 3. 法国的J.Livage制备的生物寄生检测器。
[Al(H2O)6]3+ = [Al(OH)(H2O) 5]2+ + H+ [Al(OH)(H2O) 5]2+ = [Al(OH)2(H2O) 4] + + H+ [Al(OH)2(H2O) 4]+ = [Al(OH)3(H2O) 3]0 + H+
溶液的Ph值升高，水解程度增大
溶胶－凝胶法应用
—铝溶胶制备及化学机理
n [Al(OH)3(H2O) 3]0 + xHNO3 = { [Al(OH)3(H2O) 3]nHx}x+ + xNO3-
胶溶反应中胶核呈正电性，外层吸附了电量相等的负电离子。
溶胶－凝胶法的缺陷
原料成本较高 存在残留小孔洞 存在残留的碳 较长的反应时间 有机溶剂对人体有一定的危害性
溶胶－凝胶法的未来
1994年7月在美国加利福尼亚的圣地亚哥举 行的关于Sol－Gel光子学的会议上，展示了 三种很有前途的产品： 1. 西班牙的D.Levy小组演示了液晶显示器。 2. 爱尔兰的B.D.MacCraith发明的光纤传感器。 3. 法国的J.Livage制备的生物寄生检测器。
[Al(H2O)6]3+ = [Al(OH)(H2O) 5]2+ + H+ [Al(OH)(H2O) 5]2+ = [Al(OH)2(H2O) 4] + + H+ [Al(OH)2(H2O) 4]+ = [Al(OH)3(H2O) 3]0 + H+
溶液的Ph值升高，水解程度增大
溶胶－凝胶法应用
—铝溶胶制备及化学机理
溶胶凝胶法PPT演示课件
Sol-gel缺点：
原料成本较高；可能存在残留碳；较长反应时间等。
2020/5/24
19
一、溶胶---凝胶法的发展 二、溶胶一凝胶法的基本原理 三、溶胶一凝胶法工艺过程 四、在制备材料方面的应用 五、展望
2020/5/24
20
四、在制备材料方面的应用
溶胶一凝胶法可制得的材料主要有以下几大 类型：纤维材料、涂层和薄膜材料、超细粉 末材料及复合材料等。
2020/5/24
7
❖按照溶胶制备的途径不同：
1、金属有机醇盐的溶胶－凝胶 2、无机盐为原料的溶胶－凝胶
2020/5/24
8
（1）有机醇盐Sol-gel原理：
通过水解与一定程度的缩聚反应形成溶胶，再经进一步 缩聚得到凝胶。
➢ 水解反应：
M(OR)n+xH2O ⇒ M(OH)x+nROH
（完全水解）
2020/5/24
2
一、溶胶---凝胶法的发展
➢溶胶-凝胶(sol-gel)技术最早且卓有成效地应用 可追溯到中国古代的豆腐制作。
➢1846年法国化学家J.J.Ebelmen将sicl4 与乙醇混 合置于潮湿的空气中获得透明玻璃状的固体 凝胶，并预言:这种凝胶有希望成为制备光学 仪器的原材料。
➢1939年W.Geffcken 证实金属烷氧基化合物的 水解和凝胶可以用来制备氧化物薄膜，溶 胶——凝胶技术被重新认识，并开展广泛研 究。
原料成本较高；可能存在残留碳；较长反应时间等。
2020/5/24
19
一、溶胶---凝胶法的发展 二、溶胶一凝胶法的基本原理 三、溶胶一凝胶法工艺过程 四、在制备材料方面的应用 五、展望
2020/5/24
20
四、在制备材料方面的应用
溶胶一凝胶法可制得的材料主要有以下几大 类型：纤维材料、涂层和薄膜材料、超细粉 末材料及复合材料等。
2020/5/24
7
❖按照溶胶制备的途径不同：
1、金属有机醇盐的溶胶－凝胶 2、无机盐为原料的溶胶－凝胶
2020/5/24
8
（1）有机醇盐Sol-gel原理：
通过水解与一定程度的缩聚反应形成溶胶，再经进一步 缩聚得到凝胶。
➢ 水解反应：
M(OR)n+xH2O ⇒ M(OH)x+nROH
（完全水解）
2020/5/24
2
一、溶胶---凝胶法的发展
➢溶胶-凝胶(sol-gel)技术最早且卓有成效地应用 可追溯到中国古代的豆腐制作。
➢1846年法国化学家J.J.Ebelmen将sicl4 与乙醇混 合置于潮湿的空气中获得透明玻璃状的固体 凝胶，并预言:这种凝胶有希望成为制备光学 仪器的原材料。
➢1939年W.Geffcken 证实金属烷氧基化合物的 水解和凝胶可以用来制备氧化物薄膜，溶 胶——凝胶技术被重新认识，并开展广泛研 究。
液相合成法-溶胶凝胶法课件(精品)
▪ ④溶胶或凝胶的流变性质有利于通过某种技术如 喷射、旋涂、浸拉、浸渍等方法制备各种膜、纤 维或沉积材料。例如可以制造用传统固相反应法 无法得到的材料，如ZrO2纤维。
5.2 Sol-gel法的主要工艺方法
一、概述
▪ 溶胶是指有胶体颗粒分散悬浮其中的液体，即大小在1～ 100nm之间的固体颗粒分散于液体介质中所形成的多相体 系。这些固体颗粒一般由103～109个原子组成，称为胶体。
▪ 这条合成路线的中心化学问题是反应物分 子（或离子）母体在水或其他有机溶剂中 进行水解和聚合反应，即由分子态→聚合 体→溶胶→凝胶→晶态（或非晶态）的全 部过程
▪ 所以这条合成路线可以通过对过程化学上 的了解和有效的控制来合成一些特定结构 和聚集态的固体化合物和材料。
按其原料的不同，SG法可分为胶体工艺和聚合工艺
图5－3所示为醇盐溶胶一凝胶法制备玻璃制品的工艺流程。
图5.3醇盐溶胶－凝胶法制备玻璃制品工艺流程
首先，将醇盐原料溶于适当的溶剂（例如乙醇）配制成均匀透 明的溶液。为了使醇盐发生水解、缩聚反应并调节反应速度， 向溶液中加入水和催化剂。为了促进反应均匀地进行，防止沉 淀发生，一般要采取温度控制，搅拌和回流措施。由此可以得 到均匀透明的溶胶，然后可通过不同的途径将溶胶转变成具有 不同外形的凝胶。
胶体法 ▪ 传统的胶体法（亦称粒子溶胶一凝胶法）
直接以超细固体颗粒为原料，通过调节pH 值或加入电解质来中和固体颗粒表面电荷， 形成溶胶，再通过溶剂蒸发使系统形成凝 胶。
5.2 Sol-gel法的主要工艺方法
一、概述
▪ 溶胶是指有胶体颗粒分散悬浮其中的液体，即大小在1～ 100nm之间的固体颗粒分散于液体介质中所形成的多相体 系。这些固体颗粒一般由103～109个原子组成，称为胶体。
▪ 这条合成路线的中心化学问题是反应物分 子（或离子）母体在水或其他有机溶剂中 进行水解和聚合反应，即由分子态→聚合 体→溶胶→凝胶→晶态（或非晶态）的全 部过程
▪ 所以这条合成路线可以通过对过程化学上 的了解和有效的控制来合成一些特定结构 和聚集态的固体化合物和材料。
按其原料的不同，SG法可分为胶体工艺和聚合工艺
图5－3所示为醇盐溶胶一凝胶法制备玻璃制品的工艺流程。
图5.3醇盐溶胶－凝胶法制备玻璃制品工艺流程
首先，将醇盐原料溶于适当的溶剂（例如乙醇）配制成均匀透 明的溶液。为了使醇盐发生水解、缩聚反应并调节反应速度， 向溶液中加入水和催化剂。为了促进反应均匀地进行，防止沉 淀发生，一般要采取温度控制，搅拌和回流措施。由此可以得 到均匀透明的溶胶，然后可通过不同的途径将溶胶转变成具有 不同外形的凝胶。
胶体法 ▪ 传统的胶体法（亦称粒子溶胶一凝胶法）
直接以超细固体颗粒为原料，通过调节pH 值或加入电解质来中和固体颗粒表面电荷， 形成溶胶，再通过溶剂蒸发使系统形成凝 胶。
溶胶凝胶法总结.ppt
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4
溶胶－凝胶法的基本概念
－溶胶与凝胶的结构比较
溶胶 凝胶
无固定形状 固定形状
固相粒子自由运动
固相粒子按一定网 架结构固定不能自 由移动
这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面。
c
5
溶胶－凝胶法的发展历程
1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl4与乙醇混合后， 发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。
[Al(H2O)6]3+ = [Al(OH)(H2O) 5]2+ + H+ [Al(OH)(H2O) 5]2+ = [Al(OH)2(H2O) 4] + + H+ [Al(OH)2(H2O) 4]+ = [Al(OH)3(H2O) 3]0 + H+
溶液的Ph值升高，水解程度增大
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溶胶－凝胶法应用
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7
溶胶－凝胶法的基源自文库原理
－水解反应机理
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8
溶胶－凝胶法的基本原理
－缩聚反应机理
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9
溶胶－凝胶法的工艺过程
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溶胶－凝胶法常用测试方法
测定前驱物金属醇盐的水解程度（化学定量分析法） 测定溶胶的物理性质（粘度、浊度、电动电位） 胶粒尺寸大小（准弹性光散射法、电子显微镜观察） 溶胶或凝胶在热处理过程中发生的物理化学变化
溶胶凝胶法制备块体材料课件
温度和浓度也是影响溶 pH值可以调节原料的溶 原料的性质和用量也会
胶凝胶法制备块体材料 解性和稳定性，进而影 影响最终材料的结构和
的重要因素，它们会影 响最终材料的结构和性 性能。例如，一些原料
响溶胶的稳定性以及凝 能。在一些情况下，酸
可能会在溶胶凝胶过程
胶化反应的速度和程度。 或碱催化也可能影响凝 中发生分解或氧化还原
制备条件
溶胶凝胶法制备块体材料的制备条件 包括溶剂的选择、温度、浓度、pH 值等。
温度和浓度也是影响溶胶凝胶法制备 块体材料的重要因素，它们会影响溶 胶的稳定性以及凝胶化反应的速度和 程度。
溶剂的选择对于溶胶凝胶法制备块体 材料至关重要，它不仅需要能够溶解 所需的原料，还需要在凝胶化过程中 发挥重要作用。
改进方向
优化制备工艺
通过优化溶胶凝胶法的制 备工艺，可以降低引入杂 质的概率，提高材料的质 量和性能。
研究新的制备方法
针对溶胶凝胶法的局限性， 可以研究新的制备方法， 开发更加高效、环保的制 备技术。
加强材料表征
在制备过程中加强对材料 性能的表征，及时发现并 解决存在的问题，提高材 料的性能和质量。
05
溶胶凝胶法制体材料未 来展
发展方向
01
拓展应用领域
随着溶胶凝胶法制备块体材料技术的不断发展，其应用领域也将不断扩
大。例如，在新能源、环保、生物医学等领域的应用将会更加广泛。
溶胶凝胶法ppt
同传统的固相反应合成及固相烧结法比较，该方 法具有下列几个显著的优点及独特的技术特点：
▪ ①高度化学均匀性。通过各种反应物溶液的混 合，很容易获得需要的均相多组分体系 (~0.5nm尺寸内达到化学均匀）同传统使用的 5～ 50 μm粉末的混合物的均匀度比较，提高 104～105倍。
▪ ②较低合成及烧结温度：Sol-gel粉末合成以及 烧结温度比传统粉末一般低50～500℃。 同时也正因为材料制备所需温度大幅度降 低，从而能在较温和的条件下合成出陶瓷、玻 璃、纳米复合材料等功能材料。
▪ 按照所使用的原料不同，该法又可分为以 无机盐或无机化合物为原料及其在水溶液 中的水解一聚合反应为基础的所谓无机溶 胶一凝胶法（胶体工艺）和以金属醇盐或 金属的有机化合物为原料及其在醇溶剂的 水解一聚合反应为基础的所谓醇盐溶胶一 凝胶法（聚合工艺）。
▪ 胶体工艺的前体是金属盐，利用盐溶液的水解， 通过化学反应产生胶体沉淀，利用胶溶作用使沉 淀转化为溶胶，并通过控制溶液的温度、pH值可 以控制胶粒的大小。通过使溶胶中的电解质脱水 或改变溶胶的浓度，溶胶凝结转变成三维网络状 凝胶。
▪ 聚合工艺的前体是金属醇盐，将醇盐溶解在有机 溶剂中，加入适量的水，醇盐水解，通过脱水、 脱醇反应缩聚合，形成三维网络。
四正丁氧基锆 Zr(OC4H9)4
醇盐溶胶一凝胶法制备玻璃制品的工艺流程
ZnSe/SiO2纳米复合材料的制备工艺流程
相关主题
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从固体表面到Stern平面，电位从0直线下降为
14
DLVO理论：
微粒间总相互作用能： ΦT= ΦA + ΦR
（1）微粒间的吸引能（ΦA） （2）微粒间的排斥作用能（ ΦR） （3）微粒间总相互作用能（ ΦT）
15
＋
微粒的物理稳定性取决于
ΦT
总势能曲线上势垒的大小
第二极小值
－ 第一极小值
特点： 粒子间存在阻止粒子接触的势垒 存在第一极小值（键合的团聚粒子） 存在第二极小值（可逆絮凝）
16
3.3 提高溶胶稳定性的途径：
增加势垒的高度
增加胶粒的电荷量
阻止颗粒相互接近 利用位阻效应
溶剂化效应
颗粒
颗粒
17
溶胶－凝胶合成原理 一、原理： 将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝 形成溶胶，然后使溶胶聚合凝胶化，再将凝胶干燥、 焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。
溶胶的 制备
先沉淀后解凝 控制沉淀过程
溶胶的特点：
（1）溶胶不是物质而是一种“状态”
（2）溶胶与溶液的相似之处
溶质+溶剂→溶液
分散相+分散介质→溶胶(分散系)
5
（3）溶胶的稳定性 亲液溶胶
分散相和分散介质之间有很好的亲和能力； 没有明显的相界面； 热力学稳定体系 憎液溶胶 分散相与分散介质之间亲和力较弱； 有明显的相界面； 热力学不稳定体系
直接获得溶胶
溶胶-凝胶 转化
迫使胶粒间相互 靠近
控制电解质浓度
凝胶 干燥
加热蒸发 焙烧等
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二、溶胶-凝胶法基本反应
1 溶剂化
M
(
H
2
O)
z n
M (H 2O) n1 (OH ) (Z 1)
H
2 水解反应（溶胶）
M (OR)n xH2O M (OH )x (OR)nx xROH M (OR)n xH2O M (OH )n nROH
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3.1 水－金属无机盐溶胶-凝胶反应 水解反应
浓缩法：控制反应直接 制备溶胶
分散法：金属无机盐在 室温下于过量 水中水解，形 成溶胶
M n nH 2O M (OH ) n nH
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水-金属无机盐体系的缩聚反应
胶粒脱水； 脱水凝胶化： 扩散层中电解质浓度增加；
凝胶化能垒逐渐减小。
碱性凝胶化：
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3. 凝胶（Gel）： 具有固体特征的胶体体系；被分散的物质形成连
续的网状骨架；骨架空隙中充有液体或气体； 凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间
按分散相介质不同可分为水凝 胶、醇凝胶和气凝胶
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溶胶与凝胶的比较
Sol：由孤立的细小粒子 或大分子组成，分散在 溶液中的胶体体系。
Gel：是一种由细小粒子
聚集而成三维网状结构
的具有固态特征的胶态
体系，凝胶中渗有连续
的分散相介质。
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溶胶与凝胶的结构差异
溶胶 凝胶
无固定形状 固定形状
固相粒子自由运动
固相粒子按一定网架 结构固定，不能自由
移动
这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面
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4.凝胶时间(gel point time)：在完成凝胶的大分 子聚合过程中最后键合的时间。
5.前驱物(precursor)：所用的起始原料。
6.金属醇盐(metal alkoxide)：有机醇-OH上的H为 金属所取代的有机化合物。
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二、溶胶与凝胶的联系 1)溶胶－凝胶转变； 2)凝胶具有触变性； （凝胶能转化为溶胶） 3)凝胶和溶胶可共存，组成复杂的胶态体系。
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溶胶稳定理论 1 溶胶体系的相互作用力
溶胶－凝胶法
报告人：谢园园
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溶胶-凝胶法的发展历程 溶胶-凝胶法基本概念 溶胶稳定理论 溶胶－凝胶合成原理 溶胶－凝胶合成工艺 溶胶－凝胶合成法的应用
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溶胶－凝胶法的发展历程
1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl4与乙醇混合后，发 现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。
20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化 可以制备氧化物薄膜。
范德华力 库伦力 空间阻力
溶胶的相对稳定性或聚沉取决于斥力势能和引 力势能的相对大小
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2 DLVO理论（静电稳定理论、双电层排斥理论）
双电层
表面电荷层
溶液中反 号离子层
紧密层 扩散层
由反号离子电性中心构成的平面称为Stern平面
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由于离子的溶剂化作用，胶粒在移动时，紧密层会结合一定 数量的溶剂分子一起移动，所以滑移的切动面由比Stern层略 右的曲线表示。
(RO)3 Si OR H 18OH (RO)3 Si18OH ROH
R'OH Si(OR)4 Si(OR)3 (OR') ROH
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醇-金属醇盐体系的缩聚反应
M(OR)n+xH2OM(OH)x(OR)n-x+xROH -M-OH + HO-M- -M-O-M- + H2O -M-OH + RO-M- -M-O-M- +ROH
溶胶－凝胶法基本概念
一、wenku.baidu.com胶-凝胶法基本名词术语
1. 胶体（colloid）：是一种分散相粒径很小的分 散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之 间的相互作用主要是短程作用力。
光源
凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥
丁达尔效应示意图
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2. 溶胶(sol)
具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了
1~100nm粒子(基本单元)。
1971年德国H.Dislich报道了通过金属醇盐水解制备了 SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。
1975年B.E.Yoldas和M.Yamane制得整块陶瓷材料及多孔 透明氧化铝薄膜。
80年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料以及传统 方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用。
3 缩聚反应（凝胶）
失水反应： M OH OH M M O M H 2O 失醇反应： M OR HO M M O M RO19 H
水解反应
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缩聚反应
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三、溶胶-凝胶主要反应 金属无机盐在水中水解成胶粒
含胶粒的溶胶经凝胶化后形成凝胶
金属醇盐在溶剂中水解
缩合形成凝胶
调节pH值； 减少胶粒表面正电荷； 能垒高度降低；
xM (H2O)n z
yOH
aA
M xOu (OH) y2u (H2O)n
A (xz ya) a
(xn u
n)H2O
其中：A－为胶溶过程中所加入的酸根离子。
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3.2 醇-金属醇盐体系溶胶-凝胶反应 醇-金属醇盐体系的水解反应
M(OR) n x H2O M(OH) x OR n-x x ROH